β射线与物质的作用

Question

如题所述

Answer 1

β射线（包括电子和正电子）是质量轻的带电粒子，其能量损失和运动轨迹与α粒子都不一样。在物质中的主要作用是电离、轫致辐射和多次散射。

（一）电离与激发

β射线通过物质时与核外电子发生非弹性碰撞，使物质原子电离或激发，是β射线能量损失的重要方式。根据量子理论导出非弹性碰撞引起能量损失率的表达式，对于天然放射性核素放出的低能量β射线，可以简化为如下形式：

核辐射场与放射性勘查

式中：v是入射β射线的速度；N、Z和I为物质原子数、原子序数和平均电离电位；（-dE/dx）的单位为10^-7J/cm²；e为电荷量。

（2-1-5）式与（2-1-1）式相比差别在第二项，能量损失（-dE/dx）也是与β射线的速度平方成反比。因为β射线速度比α粒子速度大得多，所以能量损失率比α粒子小得多。在物质中产生电子-离子对所消耗的能量是一样的（在空气中都要35.5 eV），所以β射线的比电离值小，即单位路程上产生离子对比α粒子少得多。因此β射线在物质中的穿透本领比α粒子大很多。

（二）轫致辐射

β粒子通过物质时，与物质原子的原子核产生非弹性碰撞而损失能量。根据经典电磁理论，β粒子（电子）接近原子核时，受到库仑场的作用，使速度迅速减低；一部分动能转变为电磁波（光子）；这种作用过程叫做轫致辐射（又称轫致X射线）。

在单位路程上，β粒子由于产生轫致辐射，在物质中所损失的能量称为辐射能损失率（-dE/dx）。根据量子电动力学理论可以表达为下列关系：

核辐射场与放射性勘查

式中：m₀和E为β粒子的质量和能量；Z和N为物质的原子序数及质量数。由此可以得出下列结论。

1）β粒子辐射能量损失率与物质原子序数平方成正比，即重元素轫致辐射较强。例如，2MeV β射线的辐射损失占总能量的比例，在有机玻璃中只占0.7%，在铝中占8%。

2）（-dE/dx）_rab与β粒子能量（E）成正比。在低能量时，电离损失占优势；高能量时轫致辐射能量损失占优势。

3）入射β粒子动能损失，是在原子核、光子与碰撞后偏转的电子三者之间分配。因此光子能量大小每次都是任意值，是从零到β粒子动能之间的连续谱。

（三）β射线的散射

β粒子在物质中与原子核库仑场作用，发生不损失能量只改变运动方向的弹性散射。其散射几率与物质原子序数平方成正比，与β粒子能量成反比。即低β能量粒子在重元素物质中弹性散射几率最大，散射角度也大；180°方向测量到的反散射也很强烈。因此，在β射线测量装置内部选用轻元素材料，减少反散射影响。反之，β粒子反散射也可以用来进行金属的薄层（如镀层）厚度测量。

（四）β射线的射程和衰减

β粒子穿过物质发生上述电离损失、轫致辐射损失以及与核的弹性散射，一方面使动能逐渐减小；另一方面是不断改变运动方向，在物质中形成的路程十分曲折。因此，即使能量相同，在同一物质中的射程也是歧离严重，难有确定数值。一般射程歧离可达10%～15%。所以，一定能量的β射线，穿过物质几乎完全被吸收时的物质厚度，称为β射线的射程，也就是β射线的最大射程（用R表示）。β射线穿过一定厚度的吸收物质，使射线强度（叫注量率以I表示）逐渐减弱的现象叫吸收。随厚度（R）增大，射线被吸收越多。如图2-1-3所示。可见单能量β（曲线1）与连续能谱（曲线2）的β射线其被吸收过程有所不同，主要是由于连续能谱β射线中低能量部分易被吸收；与单能量相比，衰减较快。

图2-1-3 β射线的吸收曲线

实测结果表明，物质对β射线的吸收过程比较复杂，可以近似地用指数规律来表示：

核辐射场与放射性勘查

式中：I₀为入射β射线的初始射线强度（能注量率）；I为穿过介质厚度d时的β射线强度（能注量率）；μ为该介质的吸收系数。如d的单位用cm，则μ为cm^-1；如d用g/cm²（称面积密度），则μ为cm²/g。

当β射线强度（能注量率）衰减到起始强度（能注量率）一半时，所穿过的物质厚度称半吸收厚度。即I=I₀/2，代入（2-1-7）式得半吸收厚度：

核辐射场与放射性勘查

一般认为，当吸收物质层厚度为10倍半吸收厚度（10 D）时，剩余的β射线强度（能注量率）只有起始值的千分之一。即I=I₀/1000，表示β射线的射程。与图2-1-3所示的吸收曲线直线段的延长线与横坐标的交点（R）与计算值基本一致。

对于不同物质，吸收系数μ随β射线能量增大而减少。所以在同一物质中，β射线的（最大）射程随粒子能量增大而增大。图2-1-4为铝中R_β与E_β关系。

（五）放射性物质层的自吸收

天然放射性核素在岩石中分布构成放射性物质层，可以设想下面一层放射性物质的β射线要穿过上面岩层，才能到达岩层表面。这种在同一岩层内的被上层吸收现象称为自吸收。正是由于这种自吸收作用，β射线的强度（能注量率）不会随放射层厚度的增加而线性增加。

假定单位厚度的放射层在没有自吸收时放射的β射线强度（能注量率）为I₀，在放射层中任取薄层dx（图2-1-5（a）），则dx层的射线强度（能注量率）为I₀dx。经x路程到达放射层表面，这时的射线强度为

核辐射场与放射性勘查

对上式进行积分，得：

核辐射场与放射性勘查

式中：μ_自为放射层自吸收系数；h为放射层厚度。可见I随h增大而增加，直到h→∞时，I==I_∞为放射层的极大值；即使厚度再增大，I=I_∞值不变。因此，称I_∞为放射层的饱和强度，这时的放射层厚度为饱和层厚度。图2-1-5（b）为铀系矿层的β射线饱和曲线，可以计算得到其饱和厚度值为1.54 g/cm²；而铀系的β射线最大能量为3.17 MeV，在岩层中的射程也是1.54 g/cm²。如果岩石密度为2 g/cm³ ，则饱和层厚度相当于0.77 cm。对于钍系β射线最大能量为2.25 MeV，其最大射程为1.02 g/cm² ，饱和厚度为0.51 cm。

图2-1-4 β射线在铝中射程与能量关系

图2-1-5 放射层β射线自吸收